可持續(xù)建筑和低碳城市開發(fā)的探索和嘗試

山村真司 小川貴裕 藤井拓郎 胡睿／YAMAMURA Shinji, OGAWA Takahiro, FUJII Takuro, HU Rui

1 引言

自1900年創(chuàng)業(yè)以來，日建設計集團作為國際性的綜合設計事務所，一貫堅持著被認為最為重要的中立性的原則，經(jīng)過110年不斷從事建筑設計和城市規(guī)劃的積累，成為了擁有超過2 000名設計師和工程師的具有特色的世界性企業(yè)集團。在推進先端新技術開發(fā)的同時，在建筑設計、設備系統(tǒng)設計、城市規(guī)劃各方面，迄今為止已參與世界上40多個國家、20 000多個項目，其中涉及行政、產(chǎn)業(yè)、教育文化、醫(yī)療福利、住宅等領域（圖1）。近年來，還特別致力于在日本國內(nèi)外推進環(huán)境保護型建筑和城市的設計開發(fā)。

這些探索和努力分別由日建設計集團中幾個專門的團體來負責，其中，綠色建筑和低碳城市的開發(fā)由日建設計綜合研究所承擔。此外，日建設計集團在中國的上海和大連也分別設有事務所，迄今承擔了多個大規(guī)模項目的設計（圖1）。

本文通過對一些實際案例及其評價、設計手法的介紹，與讀者分享日建集團在環(huán)境保護和低碳城市的開發(fā)方面的經(jīng)驗與成果。其中，將重點介紹目前正在進行中的天津于家堡金融區(qū)低碳化城市規(guī)劃的情況。

2 可持續(xù)建筑

下文對日建設計集團從事的可持續(xù)建筑的設計案例以及低碳方法進行介紹。

2.1 可降低空調(diào)負荷的建筑外觀設計

位于日本東京市內(nèi)的木材會館的外裝材料使用碳中立的天然木材，并利用其獨特的外觀進行遮陽，從而在很大程度上降低了空調(diào)負荷（圖2）。位于沙特阿拉伯吉達市的伊斯蘭開發(fā)銀行總部大樓由辦公塔樓、國際會議中心、后勤中心以及停車場構(gòu)成（圖3）。該建筑在雙重外墻上設置了條線型采光窗，為實現(xiàn)對中東地區(qū)的強烈日射光線進行遮擋的同時引入了自然采光，中庭周圍則采用全面玻璃幕墻，巧妙地將伊斯蘭元素融合于現(xiàn)代建筑設計之中，并與當?shù)氐臍夂蝻L土相協(xié)調(diào)。日建設計總部大樓（圖4）則在建筑物的東西側(cè)安裝了電動外遮陽百葉，每片百葉可隨著太陽入射角度的變化而改變傾斜角度，最大限度的控制夏季進入室內(nèi)的日射光。同時外百葉也被作為建筑外觀的一部分而與建筑物融為一體。

2.2 混合型自然環(huán)境控制設計

位于日本神奈川縣的地球環(huán)境戰(zhàn)略研究所（the Institute for Global Environmental Strategies，IGES）巧妙地將水平遮陽百葉與垂直遮陽百葉互相搭配，有效地遮擋南面以及東西面的日射。同時，水平遮陽百葉作為反光板將室外的自然光通過反射引入室內(nèi)，減少了對人工照明的依賴。另外，通過事先對自然通風進行數(shù)值模擬，全體設施都安裝了自然通風的換氣窗。該設施竣工后對運行效果的實測結(jié)果顯示，相比于基準建筑，CO2排放量減少了40%。

圖1 日建設計集團在中國及周邊地區(qū)從事的代表性項目

圖2 木材會館

圖3 伊斯蘭開發(fā)銀行

圖4 日建設計總部大樓

圖5 北京電視中心（右圖為CFD模擬結(jié)果）

圖6 IGES的自然環(huán)境控制設計案例

圖7 JAXA的光導管

圖8 大規(guī)模蓄冷水槽的區(qū)域供冷供熱設施

圖9 利用河水水源熱泵達到DHC冷熱源系統(tǒng)的10%的節(jié)能減排效果

2.3 利用先進技術達到對自然能源的高效利用

（1）晝光利用

日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（the Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）：在吊頂內(nèi)采用光導管將自然光引入各層內(nèi)部，并與照度控制傳感器相結(jié)合，達到了節(jié)省65%照明能源的效果（圖7）。

（2）自然通風

北京電視中心（圖5）：超高層建筑的自然通風由于其不穩(wěn)定性以及風壓的控制問題通常很難實現(xiàn)，該設施通過對氣流狀況進行數(shù)值模擬并有效利用中庭空間，使超高層建筑安定地進行自然通風得以實現(xiàn)。

圖10 東京飯?zhí)飿騣-Garden花園的自然風通道

圖11 大崎站西口地區(qū)的自然風通道的效果模擬及開發(fā)規(guī)劃

圖13 -1 俄羅斯Moscow Metropoliya的低碳城市規(guī)劃

圖12 迪拜的Cool City

圖13 -2 俄羅斯Moscow Metropoliya的低碳城市規(guī)劃

圖14 天津于家堡金融區(qū)的總體規(guī)劃（來源：天津新金融投資有限責任公司）

圖15 于家堡金融地區(qū)的位置

圖16 于家堡低碳金融區(qū)的定義

圖17 單位GDP的減排目標

3 可持續(xù)城市開發(fā)

3.1 采用高效地域能源系統(tǒng)的低碳街區(qū)

（1）晴海托里頓廣場（Harumi Triton Square）

東京都內(nèi)的晴海托里頓廣場是一座總建筑面積67萬m2，集辦公、商業(yè)、住宅、會議中心為一體的大型綜合設施。該設施采用區(qū)域集中供冷供熱（DHC），設置了大規(guī)模溫度成層型蓄冷水槽，并實現(xiàn)了10℃溫差進行供冷以及冬季制冷的熱回收等技術，達到了日本國內(nèi)供冷供熱設施的最高效率（圖8）。

（2）大阪中之島地區(qū)的環(huán)保措施以及未利用能源系統(tǒng)

大阪中之島為大阪市主要的商業(yè)區(qū)之一，其基地面積為50hm2，總建筑面積超過100萬m2，白天人口約為3.5萬人。該區(qū)域在熱島效應問題上采取有效措施，在項目開發(fā)前在各方協(xié)調(diào)下制作了“中之島地區(qū)環(huán)境的將來構(gòu)想”，并在此基礎上對各個單體建筑、街區(qū)以及中之島整體區(qū)域等分別實施“低碳化”、“涼爽城市”（Cool City）、“環(huán)保型生活方式”、“管理”等計劃。區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)的冷卻水采用河水進行冷卻，大幅度提高了冷熱源效率，有效抑制了人工排熱效應（圖9）。

3.2 環(huán)保型大規(guī)模街區(qū)開發(fā)

在大規(guī)模街區(qū)開發(fā)過程中，通過將廣域的綠化帶彼此相連形成自然風的通道，有效解決城市范圍內(nèi)的熱島效應問題。實測證明，上述的街區(qū)開發(fā)模式在今后的街區(qū)開發(fā)中值得推廣。

（1）東京飯?zhí)飿騣-Garden花園（圖10）

（2）東京大崎站西口地區(qū)規(guī)劃

對該地區(qū)的來訪人員和從業(yè)人員的利用形態(tài)進行分析，實施與之相應的環(huán)境規(guī)劃，并考慮投資成本和效果進行綠化帶規(guī)劃。同時，與辦公樓底下的商業(yè)設施相協(xié)調(diào)，在Think Park 用地的西南側(cè)的人工地面集中種植喬木等植物，形成“大崎地區(qū)的森林”，并形成基地內(nèi)居住區(qū)域范圍的“自然風的通道”（Yamamura et al.，2009）。

區(qū)域內(nèi)為平滑的山丘形狀，人工地面與周圍的丘陵地形相協(xié)調(diào)，構(gòu)成大規(guī)模的綠色斜面。由于綠化范圍大部分為人工地面，在上面種植高大的喬木比較困難，因此種植了楓樹等中等喬木進行斜面綠化，包圍處在自然風通道上的居住區(qū)域的空間。另外采用表面溫度較低“植物層”，改善熱環(huán)境并降低成本，具有多方面的效果（圖11）。

3.3 世界范圍內(nèi)的低碳城市開發(fā)的分析案例

（1）迪拜的Cool City

位于波斯灣地區(qū)迪拜的“Cool City”（圖12），作為可持續(xù)發(fā)展的低碳城市，由日建設計集團提出主體構(gòu)想。該項目由可再生能源規(guī)劃、基礎設施節(jié)能規(guī)劃、建筑節(jié)能規(guī)劃、交通系統(tǒng)規(guī)劃構(gòu)成（廣域范圍內(nèi)采用單軌電車，城市內(nèi)采用輕軌交通系統(tǒng)）。

（2）俄羅斯Moscow Metropoliya的低碳城市規(guī)劃

Moscow Metropoliya是位于莫斯科克里姆林宮東南方向5km的大規(guī)模地標開發(fā)項目，基地面積為23.7hm2，項目集辦公、住宅、商業(yè)、酒店等設施于一體。由日建設計集團承擔該項目的總體規(guī)劃。該項目取意于俄羅斯的國花向日葵，以位于中央的購物商城為中心，連接周圍的10棟塔樓。在能源規(guī)劃中，對導入先進節(jié)能技術以及石油代替能源技術等之后的效果進行計算，并對設備診斷調(diào)查以及商業(yè)化、普及規(guī)劃的具體化進行了事先可行性研究。

表1 為實現(xiàn)于家堡金融區(qū)低碳化的方法論最大限度發(fā)揮地區(qū)特點的最佳組合的低碳化考察于家堡金融地區(qū)的自然狀況以及基礎設施情況，針對本地區(qū)的低碳化提出最佳的技術與對策組合。從規(guī)劃到實施應用，全程實施環(huán)境管理不僅僅只是制定美好的總體規(guī)劃，且從規(guī)劃、施工到實際使用，通過對整個地區(qū)進行全程的能源管理和地區(qū)管理，從而使徹底的環(huán)境管理成為現(xiàn)實?；诮?jīng)濟狀況通過階段性的開發(fā)，建設可持續(xù)性城市針對整個地區(qū)同時進行開發(fā)并不現(xiàn)實。根據(jù)今后在全球化社會中的經(jīng)濟狀況與技術革新，可進行階段性的開發(fā)。先行開發(fā)的其中一部分街區(qū)也需要最大限度地開展和體現(xiàn)低碳效果的可持續(xù)性城市建設。

4 天津于家堡金融區(qū)的低碳規(guī)劃

4.1 于家堡金融區(qū)的定位

在2010年6月的亞太經(jīng)濟合作組織（APEC）成員國能源部長級會議上，于家堡金融區(qū)被認定為“APEC低碳城市模范項目”的第一個項目，并作為中日兩國的共同項目，從2011年起開展對其實現(xiàn)低碳化目標進行可行性研究。（圖14、15）

4.2 “低碳金融區(qū)”（low-carbon CBD）的定義

于家堡金融區(qū)是全球第一個CBD性質(zhì)的低碳型城市。對于“低碳金融區(qū)”名稱的定義如圖16和表1所示。

為打造于家堡地區(qū)將來的品牌形象，不僅需要降低環(huán)境負荷，同時還要提高環(huán)境品質(zhì)。此處的環(huán)境品質(zhì)是指“對于生活、居住的人來說體貼周到的城市建設”、“能夠吸引國內(nèi)外的投資”、“有助于企業(yè)進駐與招商”。

4.3 設定于家堡金融區(qū)的CO2削減目標

對本地區(qū)的中期、長期目標設定如圖17所示。

4.4 低碳導則的目的

該導則針對從城市的規(guī)劃階段到建成后的實際使用階段的全程范圍內(nèi)進行可持續(xù)性建設和發(fā)展，是開發(fā)低碳型金融區(qū)的指導方針（圖18）。

CO2的減排目的在于保護地球環(huán)境并降低能耗從而降低設備的運行成本。對于建筑室內(nèi)居住或工作的人員來說也可以改善室內(nèi)環(huán)境并提高滿意程度。

該導則對各項提出了目標，通過對目標以及投資成本與回收期的分析，從而提出具體的解決方案。各主體項目構(gòu)成如圖19所示。

4.5 主要的低碳方法的介紹

本節(jié)介紹作為低碳金融區(qū)特征的幾個方法。

（1）智能單元的模塊式開發(fā)（Smart Unit Development）

于家堡金融區(qū)規(guī)劃不僅僅只對區(qū)域內(nèi)的建筑節(jié)能系統(tǒng)或者區(qū)域內(nèi)能源系統(tǒng)進行規(guī)劃，還從城市自身的結(jié)構(gòu)組成出發(fā)，對城市進行整體低碳規(guī)劃和探索。在此，將原來應用于交通領域的“交通導向規(guī)劃”（transit oriented development，TOD）的理念應用于土地利用規(guī)劃領域。所謂交通導向規(guī)劃，就是在規(guī)劃居民或商業(yè)區(qū)時，使公共交通的利用率最大化的一種非汽車化的規(guī)劃設計方式，通過多種手段的結(jié)合來鼓勵公共交通的使用，從而通過交通量的降低以減少CO2的排放。

于家堡金融區(qū)通過將街區(qū)內(nèi)的土地利用集中在交通樞紐站的周圍，以提高利用密度，形成以商務、商業(yè)、居住等用途相結(jié)合的混合型街區(qū)。

為了實現(xiàn)對城市進行階段性、連續(xù)性的開發(fā)，在每個地塊內(nèi)設置市政管線、道路、綠地等設施，形成一個智能單元模塊，隨著開發(fā)的進行，將各個模塊相連接，最終使整個城市形成一個巨大的智能網(wǎng)絡（圖20）。

（2）Area Energy Management System（AEMS）

眾所周知區(qū)域范圍內(nèi)的節(jié)能減排的實現(xiàn)依靠區(qū)域內(nèi)各個建筑物自身對節(jié)能的努力，而節(jié)能減排的進展情況根據(jù)建筑物的用途、使用情況必然有很大差別。如果不能把握區(qū)域范圍內(nèi)整體的能耗動態(tài)（能耗狀況的可視化），將對區(qū)域整體的方針政策的制定帶來困難。

與單體建筑的能耗相比，AEMS更著眼于區(qū)域整體的節(jié)能減排的運用。通過以下的方針實現(xiàn)對低碳金融區(qū)的整體運用：

① 需求側(cè)（建筑等）的能源消耗動態(tài)的把握；

② CBD內(nèi)的供給方（DHC、太陽能發(fā)電站、未利用未能源站）的把握；

③ 能源消耗動向的可視化對區(qū)域整體的日常效率化運行的促進；

④ 需求側(cè)和供給側(cè)的動向把握有利于減排計劃的制定和實施（PDCA循環(huán)，圖21）。

（3）交通規(guī)劃

作為中央金融商務區(qū)的特征之一，從業(yè)人員規(guī)模龐大，預計其中的大部分每天從天津市中心等廣域范圍進入該區(qū)域進行商務活動，對小汽車的持有率較高。另外，考慮到地鐵等軌道交通的建設時間以及利用率較低等因素，私家車還存在巨大的潛在需求量，因此如何控制其帶來的CO2排放以及如何實現(xiàn)低碳交通的目標將是我們面臨的課題之一。通過汽車保有量預測的結(jié)果（MIWA et al.，2009），該地區(qū)在工作時間內(nèi)的交通負荷非常集中，超過了原有總體規(guī)劃的道路交通負荷容量，預計將給城市的發(fā)展活動帶來一定影響。

通過對以下5個方針的實施，預計可減少CO2排放量的30%：

① 限制私家車的使用并改善公共交通（公交專線、促進軌道交通利用、限制私家車上下班）；

② 軌道交通站周圍土地的高度利用；

③ 公交路線規(guī)劃的再論證；

④ 短距離交通系統(tǒng)的導入；

⑤ 電力汽車的導入。

5 結(jié)語

本文針對日建設計集團在綠色節(jié)能建筑以及低碳城市開發(fā)方面的經(jīng)驗和部分典型案例進行了說明，并特別介紹了最近規(guī)劃中的天津于家堡低碳金融區(qū)的情況，該區(qū)域的規(guī)劃區(qū)別于以往的城市開發(fā)，因為它不僅僅是單一的規(guī)劃，通過在竣工后導入AEMS系統(tǒng)，對區(qū)域整體能耗包括CO2排放量進行實時統(tǒng)籌管理，為建設可持續(xù)發(fā)展的低碳型社會起到推動作用。

通過對一些綠色建筑案例及其評價、設計手法的介紹，與讀者分享了在環(huán)境保護和低碳城市的開發(fā)方面的經(jīng)驗與成果，其中的被動式技術和一些高新技術的集成運用，體現(xiàn)了綠色建筑在亞洲地區(qū)如何與地域、氣候、文化相結(jié)合的經(jīng)驗與教訓，以期對未來發(fā)展有所借鑒或參考。

[1] Shinji Yamamura(NSRI), Osamu Nagase: Study on Methodology about Environmentally Friendly Urban Development for Creating Cool Spots and Reducing CO2Emissions in Urban Area[R].The Seventh International Conference on Urban Climate (ICUC-7), 2009.

[2] Tatsuya Hayashi(NSRI*), Hideharu Niwa(*), Katashi Matsunawa(*):Study on Energy System Simulation Tool for Urban Design[R].The Seventh International Conference on Urban Climate(ICUC-7), 2009.

[3] Tomio Miwa, Akira Ando(NSRI), Toshiyuki Yamamoto, Takayuki Morikawa.A Basic Study of the Effectiveness of a Parking Deposit System[G].ISCP, 2009.